耀变体光变现象的综合研究

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耀变体是一类射电噪的活动星系核,它的喷流方向接近我们的视线。耀变体的观测特征有剧烈且快速的光变,而且有的目标射电和光学辐射具有很高的偏振度。耀变体的谱能量分布具有典型的双峰结构,低能成分(峰值在红外到X射线波段)解释为相对论电子的同步辐射,而高能成分(峰值在TeV的伽马射线波段),则是由相对论电子对软光子场的逆康普顿散射或者强子过程产生的。自从费米伽马射线望远镜发射以来,人类进入了一个新的耀变体光变多波段研究时代。对多波段光变的研究有助于人们了解耀变体的光变机制、宇宙高能伽马射线及高能中微子的起源、活动星系核喷流形成机制等重要科学问题。本论文利用多波段观测数据,对耀变体多波段光变曲线相关性、光学色指数、伽马射线谱指数、光学偏振光变规律等方面的综合研究探讨了耀变体高能伽马射线和光学辐射区位置,光学波段的光变机制,伽马射线波段的辐射机制等问题。本论文安排如下,第一章介绍了活动星系核的基本观测特征和基本分类,对耀变体的光变特性光变机制以及偏振理论做了综述;第二章主要介绍伽马射线数据处理、LCCF分析方法以及辐射区位置计算的理论框架;第三章讨论了两个耀变体AO 0235+164和B2 1633+382多波段光变曲线相关性和辐射区位置;第四章从光谱分析出发提出双成分模型,定量研究了伽马射线谱指数及偏振度与流量的相关性,用螺旋喷流模型和双成分模型讨论了光学偏振斯托克斯参量及光学流量和偏振度光变;第五章是对全文的总结和展望。第二章主要对耀变体观测研究中多波段数据处理过程和基本的数据分析技术做了介绍。数据处理方面着重介绍了 Fermi-LAT的伽马射线数据处理和分析流程。接下来,我们介绍了作为费米卫星多波段支持计划的中小孔径研究望远镜系统(SMARTS)、Katzman自动成像望远镜(KAIT)和Steward天文台(SO)的光学—红外监测计划,以及欧文斯谷射电天文台(OVRO)的耀变体射电监测项目。分析技术方面我们讨论了两种光变曲线相关性分析方法——离散互相关函数(Discrete Correlation Function,DCF)和局部互相关函数(Local Cross-Correlation Function,LCCF),接下来我们详细讨论了用LCCF分析了相关性的置信度评估技术并与前人的方法做了对比,我们考虑了功率谱密度(power spectral density,PSD)和采样的影响并详细讨论了LCCF置信度分析的方法和流程。对于模型拟合,我们介绍了马尔科夫链蒙特卡罗方法(Markov chain Monte Carlo,MCMC),并使用约化卡方和K-S检验来评估相应的拟合结果。第三章主要是利用LCCF方法对两个耀变体AO 0235+164和B2 1633+382辐射区进行了研究。对目前的光学望远镜和伽马射线探测器而言,耀变体都是点源,从图像上无法分辨辐射区位置。为了解决这个困难,在本论文中,我们收集了两个耀变体目标的长期多波段观测数据,并利用LCCF分析了它们之间的相关性和时间延迟。在对AO 0235+164的研究中,我们发现,伽马射线和光学V波段光变曲线与射电光变曲线的相关性超过3σ置信度水平。伽马射线和光学的辐射区在误差范围内重合,位于射电15 GHz核区上游约6 pc处,在宽线区以外。在对B2 1633+382的研究中,我们使用局部互相关函数对多波段光曲线进行相关分析,发现伽马射线和光学V波段与15GHz射电相关性都超过了3σ置信水平。伽马射线和光学的辐射区同样位于15GHz射电核区的上游约14 pc的宽线区之外。第四章深入分析了这两个耀变体的色指数变化规律,结合辐射区研究结果,利用包括吸积盘和喷流的多成分模型、喷流进动的几何模型和激波模型对色指数光变规律进行认证研究。AO 0235+164的色指数光变表现为复杂的行为。在低流量态下,色指数变亮变红,在高流量态下,色指数变亮变蓝,而伽马射线谱指数变亮变软。我们认为,这种复杂的变化趋势可以用稳定成分叠加变化的喷流成分来解释。另外,对耀变体的偏振观测也为我们提供了更多的信息来约束模型。它的光学偏振度耀发和光学流量耀发是不同步的。光变曲线方面似乎表现为一个流量峰被夹在两个偏振度峰之间,而在偏振斯托克斯qu平面上具有反向旋转轨迹。我们提出螺旋喷流模型可以通过微调参数示意性地显示这些偏振特性。视角的变化被认为是导致所有这些变化的主要原因,其他可能性,如喷流中的激波模型或强子模型并没有完全排除。B2 1633+382的色指数光变明显表现为变亮变红趋势,这在平谱射电类星体目标(FSRQs)中是普遍现象,但这种关系似乎是非线性的。其光谱中的宽线特征表明辐射中存在吸积盘成分。因此,我们考虑双成分模型,包括相对稳定的背景成分和变化的喷流成分来研究其光变行为。我们采用MCMC方法研究了喷流和背景成分的物理参数。对归一化残差的研究表明,双成分模型在一定程度上优于线性拟合模型。带有螺旋磁场的喷流很有希望统一地解释该目标的光学、伽马射线谱指数以及偏振度的光变机制。这些研究为我们提供了一种定量方法,将喷流参数与背景参数分离开来,从而对FSRQ的光变机制进行深入研究。本论文利用局部互相关函数(LCCF)分析了多波段光变曲线之间的相关性和时间延迟。并通过螺旋喷流模型和双成分模型解释耀变体的光变行为。通过本论文的研究,我们对耀变体的辐射区位置和光变机制尤其是偏振光变有了更深入的认识,通过模型分析能够为确定耀变体的基本物理参数提供更加科学的方法。下一步需要对更大耀变体样本进行统计研究和对短时标光变的规律进行更深入的探索。
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